发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于电磁加载的冲击疲劳试验设备,能够对冲击能量进行精确的变量控制,以便解决现有技术中的不足。
本发明的技术方案是:一种基于电磁加载的冲击疲劳试验设备,支座组件包括底板以及竖直设置在底板上的线圈支撑座,线圈支撑座与底板连接,冲击组件包括推杆以及设置在推杆一端的冲击头,推杆水平穿设在线圈支撑座上,推杆沿其轴向与线圈支撑座滑动连接,冲击头与推杆可拆卸固定连接,线圈组件包括放电线圈以及感应线圈,放电线圈固定在线圈支撑座上,且位于线圈支撑座靠近冲击头的一侧,放电线圈与推杆同轴,放电线圈与外部脉冲电源电连接,感应线圈同轴套接在推杆上,当放电线圈断电时,感应线圈与放电线圈抵接。
优选的,冲击组件还包括:无油自润滑铜套,无油自润滑铜套水平穿设在线圈支撑座上,且位于线圈支撑座远离冲击头的一侧,推杆穿过无油自润滑铜套且沿轴向与其滑动连接,无油自润滑铜套与线圈支撑座固定连接。
优选的,还包括:沉孔,沉孔水平开设在线圈支撑座上,且位于线圈支撑座靠近冲击头的一侧,无油自润滑铜套伸入沉孔中且与其同轴,放电线圈位于沉孔中,放电线圈套接于无油自润滑铜套上,感应线圈与沉孔的侧壁滑动连接。
优选的,推杆靠近无油自润滑铜套的一侧设有紧固螺母,紧固螺母与推杆螺纹配合连接,推杆上同轴套设有复位弹簧,且位于紧固螺母与无油自润滑铜套之间,复位弹簧的一端与紧固螺母连接,另一端与无油自润滑铜套连接。
优选的,推杆上套装有放大器,放大器位于感应线圈与冲击头之间,放大器的一端与感应线圈抵接,另一端与冲击头抵接。
优选的,放大器的纵截面为圆形,放大器的外径由靠近感应线圈的一端向另一端逐渐减小。
优选的,推杆上设有传感组件,传感组件包括:套接于推杆上的压力传感器以及位移传感器,压力传感器位于冲击头与放大器之间,压力传感器与冲击头抵接,位移传感器位于压力传感器与放大器之间,位移传感器分别与放大器、压力传感器抵接。
优选的,支座组件还包括:冲击试件支撑座,冲击试件支撑座竖直连接于底板上,冲击试件支撑座位于推杆靠近冲击头的一端外侧,冲击试件支撑座与推杆正对设置。
优选的,冲击试件支撑座靠近冲击头的一侧开设有沉槽,待测试的冲击试件固定在沉槽中,另一侧为倾斜向下的斜面。
优选的,还包括:垫板,垫板水平设置在线圈支撑座的底部,垫板分别与线圈支撑座、底板可拆卸固定连接。
与现有技术相比,本发明提供的一种基于电磁加载的冲击疲劳试验设备,通过支座组件的底板、线圈支撑座与冲击组件的推杆、冲击头以及线圈组件的放电线圈、感应线圈配合使用,能够实现由放电线圈利用脉冲电流在其周围产生脉冲磁场,感应线圈在脉冲磁场中产生脉冲感应涡流以及在其周围产生脉冲磁场,利用两个脉冲磁场方向相反产生涡流斥力,从而驱动推杆移动使得冲击头对材料进行冲击测试,借助电磁加载能够根据实验方案及被测试材料的不同对冲击能量进行调节,实现对冲击能量进行精确的变量控制,更加真实地模拟材料在使用环境下的冲击疲劳失效形式,以更好地指导工程应用,本发明的疲劳试验设备效果好,精确度高,实用性强,值得推广。
具体实施方式
本发明提供了一种基于电磁加载的冲击疲劳试验设备,下面结合图1到图6的结构示意图,对本发明进行说明。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
冲击疲劳是材料在多次冲击载荷作用下,由于损伤累积而导致突然失效的情况。冲击疲劳的研究在工程安全方面具有重要意义,特别是航空领域中的大量材料都存在冲击疲劳的问题。复合材料具有比强度和比刚度高的特点,能有效减少飞行器结构的自身重量,在航空制造领域有着广泛的应用,对冲击疲劳性能的研究具有必要性。
在获取材料的冲击疲劳强度时,主要利用冲击疲劳试验设备进行测试。现有的冲击疲劳试验设备通过冲锤自由落体运动对材料进行冲击作用。然而通过冲锤自由落体进行冲击疲劳测试,只能进行冲击加载应变率较低的测试,无法对材料开展应变率较高的测试,导致冲击疲劳测试的效果较差。例如:公开号为CN110926967A的专利公开了一种自由落体式冲击疲劳试验机,其通过圆轮转动时与L形板周期性接触带动冲锤提升,冲锤提升后自由下落对材料进行冲击疲劳测试。在对材料进行冲击疲劳测试时,冲锤对材料的冲击加载应变率较低。
目前,为解决上述问题,现有的冲击疲劳试验设备通过凸轮转动带动冲锤做往复运动,从而提高冲锤的冲击加载应变率,有效改善冲击疲劳测试的效果。例如:公开号为CN115077838A的专利公开了一种高载荷冲击疲劳试验装置,其通过电机带动凸轮转动从驱动冲锤做往复运动,从而进行冲击疲劳测试。通过凸轮带动冲锤运动进行冲击测试,能够提高冲锤测试时的冲击加载应变率,改善冲击疲劳测试的效果。然而在测试过程中需要调节冲锤冲击的能量时,只能通过间接改变电机的转速调整凸轮的旋转速度,进而改变冲锤运动的速度,最终才能对冲锤冲击的能量进行调整。然而电机在带动凸轮旋转以及凸轮带动冲锤运动过程中存在能量损失,导致难以准确对冲锤的冲击能量进行控制,造成无法真实地模拟材料在使用环境下的冲击疲劳失效形式。
基于上述问题,本发明实施例提供的一种基于电磁加载的冲击疲劳试验设备,通过支座组件的底板、线圈支撑座与冲击组件的推杆、冲击头以及线圈组件的放电线圈、感应线圈配合使用,能够实现由放电线圈利用脉冲电流在其周围产生脉冲磁场,感应线圈在脉冲磁场中产生脉冲感应涡流以及在其周围产生脉冲磁场,利用两个脉冲磁场方向相反产生涡流斥力,从而驱动推杆移动使得冲击头对材料进行冲击测试,借助电磁加载能够根据实验方案及被测试材料的不同对冲击能量进行调节,实现对冲击能量进行精确的变量控制,更加真实地模拟材料在使用环境下的冲击疲劳失效形式,以更好地指导工程应用。
如图所示,图1为本实施例的冲击疲劳试验设备正视图,一种基于电磁加载的冲击疲劳试验设备,支座组件1包括底板11以及竖直设置在底板11上的线圈支撑座12,线圈支撑座12与底板11连接,底板11为整个试验设备提供支撑,冲击组件2包括推杆21以及设置在推杆21一端的冲击头22,推杆21水平穿设在线圈支撑座12上,推杆21沿其轴向与线圈支撑座12滑动连接,冲击头22与推杆21可拆卸固定连接,线圈组件3包括放电线圈31以及感应线圈32,放电线圈31固定在线圈支撑座12上,且位于线圈支撑座12靠近冲击头22的一侧,放电线圈31与推杆21同轴,放电线圈31与外部脉冲电源4电连接,放电线圈31利用脉冲电流在其周围产生脉冲磁场,感应线圈32同轴套接在推杆21上,当放电线圈31断电时,感应线圈32与放电线圈31抵接,感应线圈32在脉冲磁场中产生脉冲感应涡流,感应线圈32利用脉冲感应涡流在其周围产生脉冲磁场,感应线圈32和放电线圈31周围的脉冲磁场方向相反产生涡流斥力,进而推动推杆21、冲击头22移动对材料进行冲击试验。
如图所示,图5为冲击疲劳试验设备电磁加载原理图,实际形成磁场是由于放电线圈31与感应线圈32相互贴紧,由于电磁感应现象,放电线圈31周围形成的脉冲磁场穿过感应线圈32产生极强的感应涡流以及脉冲磁场,放电线圈与感应线圈由于产生的脉冲磁场方向相反因此产生强大的涡流斥力,从而推向推杆21冲击头22移动对材料进行冲击试验,同时简化能量传递过程,能够实现对冲击头冲击的频率进行准确控制。
本公开实施例中底板11为长方形,长方形四角钻孔,用四个重力支撑脚14支撑,支撑脚14底部防滑,冲击试件132固定在底板11上。
本公开实施例中推杆21远离紧固螺母26的一端攻内螺纹,利用内螺纹与冲击头22端部的螺杆配合固定连接。
同时,冲击头22有多个不同尺寸以及形状,例如冲击头为半球体或圆柱体,直径为60mm,冲击头直径可调节,用于测试不同冲击头22对冲击试件132的冲击疲劳性能的影响。
作为更进一步的优化方案,本公开实施例中,如图所示,图2为本实施例的冲击疲劳试验设备立体图,优选的,冲击组件2还包括:无油自润滑铜套23,无油自润滑铜套23水平穿设在线圈支撑座12上,且位于线圈支撑座12远离冲击头22的一侧,推杆21穿过无油自润滑铜套23且沿轴向与其滑动连接,无油自润滑铜套23与线圈支撑座12固定连接。
本公开实施例无油自润滑铜套23安装在线圈支撑座12上,用于减少推杆21与线圈支撑座12和放电线圈31之间的阻力,进一步提高涡流斥力驱动推杆移动对材料进行冲击测试的效果。
作为更进一步的优化方案,本公开实施例中,优选的,还包括:沉孔121,沉孔121水平开设在线圈支撑座12上,且位于线圈支撑座12靠近冲击头22的一侧,无油自润滑铜套23伸入沉孔121中且与其同轴,放电线圈31位于沉孔121中,放电线圈31套接于无油自润滑铜套23上,感应线圈32与沉孔121的侧壁滑动连接。
本公开实施例中利用线圈支撑座12上的沉孔121,能够使得放电线圈31、感应线圈32在沉孔中利用两个脉冲磁场方向相反产生涡流斥力,从而通过涡流斥力更好的驱动推杆移动对材料进行冲击测试。
如图所示,图4为实施例的冲击组件正视图,优选的,推杆21靠近无油自润滑铜套23的一侧设有紧固螺母26,紧固螺母26与推杆21螺纹配合连接,推杆21上同轴套设有复位弹簧24,且位于紧固螺母26与无油自润滑铜套23之间,复位弹簧24的一端与紧固螺母26连接,另一端与无油自润滑铜套23连接。
本公开实施例中复位弹簧24位于无油自润滑铜套23后方,与推杆21同轴,用于冲击挤压后推杆21的复位。
作为更进一步的优化方案,本公开实施例中,优选的,推杆21上套装有放大器25,放大器25位于感应线圈32与冲击头22之间,放大器25的一端与感应线圈32抵接,另一端与冲击头22抵接。
本公开实施例中利用放大器25能够将产生的涡流斥力传递至冲击头22上,进一步降低能量传递过程中的损失,进一步提高冲击能量控制的精确性。
作为更进一步的优化方案,本公开实施例中,优选的,放大器25的纵截面为圆形,放大器25的外径由靠近感应线圈32的一端向另一端逐渐减小。
本实施例中利用变截面的放大器25能够将产生涡流斥力全部传递至冲击头22,进一步提高对材料进行冲击试验的效果。
作为更进一步的优化方案,本公开实施例中,如图所示,图3为实施例的冲击组件立体图,优选的,推杆21上设有传感组件5,传感组件5包括:套接于推杆21上的压力传感器51以及位移传感器52,压力传感器51位于冲击头22与放大器25之间,压力传感器51与冲击头22抵接,位移传感器52位于压力传感器51与放大器25之间,位移传感器52分别与放大器25、压力传感器51抵接。
本公开实施例中利用放大器将上述过程中感应线圈受到的斥力传递给冲击头,同时利用压力传感器51、位移传感器52在试验中获得冲击力–时间曲线及位移–时间曲线。
待测数据为冲击力–时间曲线、位移–时间曲线以及冲击试件132冲击疲劳强度,试验时将冲击试件132固定在材料支撑座131的孔洞处,调节冲击头22的高度及冲击头22与冲击试件132之间的距离并固定,通电运行控制程序使放电线圈31反复通断电,将推杆21反复推出,冲击头22撞击冲击试件132后在复位弹簧24作用下复位,进行下一次冲击。记录该组试验中使用的电压电流以及电流波形,记录冲击头22尺寸及形状,记录该组试验每次冲击时,冲击头22与冲击试件132撞击瞬间冲击力大小以及冲击过程中的位移–时间曲线,多次试验后获得试验参数,可以建立确定电压、电流、波形下的冲击力、位移与时间关系的数学模型,再检测测试冲击试件的损伤情况,从而获得被试材料冲击疲劳寿命及性能,能够实现精确的变量控制,更加真实模拟被试材料在使用环境下的冲击疲劳失效形式。
如图所示,图6为本实施例的冲击试件支撑座立体图,优选的,支座组件1还包括:冲击试件支撑座13,冲击试件支撑座13竖直连接于底板11上,冲击试件支撑座13位于推杆21靠近冲击头22的一端外侧,冲击试件支撑座13与推杆21正对设置。
本公开实施例中推杆21的长度需要根据线圈支撑座12与冲击试件支撑座13之间的距离调整,保证冲击头22与冲击试件132的间距固定。
作为更进一步的优化方案,本公开实施例中,优选的,冲击试件支撑座13靠近冲击头22的一侧开设有沉槽131,待测试的冲击试件132固定在沉槽131中,另一侧为倾斜向下的斜面。
本实施例中利用冲击试件支撑座13上的沉槽131,对待测试的冲击试件132进行固定,提高待测试的冲击试件132固定的稳定性,同时利用倾斜向下的斜面保证冲击时冲击试件支撑座13的稳定性。
本公开实施例中冲击试件支撑座13为直角三棱柱,沉槽131为长方形孔,用于安装冲击试件132。
作为更进一步的优化方案,本公开实施例中,优选的,还包括:垫板15,垫板15水平设置在线圈支撑座12的底部,垫板15分别与线圈支撑座12、底板11可拆卸固定连接。
本公开实施例中利用圈支撑座12与底板11之间的垫板15,能够调节冲击组件的高度位置,使冲击头22对准冲击试件132中心。
外部脉冲电源4包括:380V交流电、控制电路6,控制电路6包括:二极管61,电容器62,放电晶闸管63和电阻64。
该冲击疲劳设备基于电磁加载原理,通过控制电路6对放电线圈31放电,放电线圈31内产生巨大脉冲电流并在周围激发高强脉冲场。感应线圈32在放电线圈31与放大器25之间,在电感作用下,感应线圈32产生涡流。由于放电线圈31与感应线圈32产生的脉冲磁场方向相反,在斥力作用下感应线圈32带动放大器25和冲击头52完成高速加载。
实际使用过程中,利用380V的交变电流升压后给电容器62充电,随后电容器62对放电线圈31放电,放电线圈31内部瞬间产生强电流并在周围激发脉冲磁场,脉冲磁场穿过感应线圈32产生涡流,两线圈相互作用从而实现电磁加载。
该设备可以通过控制电路提供不同能量的冲击加载,从而使用不同的冲击力和能量对进行测试。试验可以获得冲击力和能量与冲击试件疲劳寿命的曲线,量化比较不同被试材料的冲击疲劳性能
在使用过程中,待测数据为冲击力–时间曲线、位移–时间曲线以及冲击试件的冲击疲劳强度,试验时将冲击试件固定在支撑座的孔洞处,调节冲击头的高度及冲击头与冲击试件之间的距离并固定,通电,运行控制程序使感应线圈反复通断电,将推杆反复推出,冲击头撞击冲击试件后在复位弹簧作用下复位,进行下一次冲击。记录该组试验中使用的电压电流以及电流波形,记录冲击头尺寸及形状,记录该组试验每次冲击时,冲击头与冲击试件撞击瞬间冲击力大小以及冲击过程中的位移–时间曲线,多次试验后获得试验参数,可以建立确定电压、电流、波形下的冲击力、位移与时间关系的力学模型,再检测测试冲击试件的损伤情况,从而获得材料冲击疲劳寿命及性能。该设备运行过程中频率可达5Hz,设备单次冲击可产生最大能量为3800J,根据实验方案及被试材料的不同进行调节。该设备能够实现精确的变量控制,更加真实地模拟材料在使用环境下的冲击疲劳失效形式,以更好地指导的工程应用。
本冲击疲劳试验设备运行过程中频率可达5Hz,设备单次冲击可产生最大能量为3800J,根据具体实验方案进行调节。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例,但是,本发明实施例并非局限于此,任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。